Les fibres polymères extensibles ont un impact significatif, même si leur production nécessite des méthodes environnementales et une consommation de ressources rigoureuses. Le processus est difficile pour les polymères élastiques à filabilité réduite et à hautes performances, tels que les silicones, le polydiméthylsiloxane et l'ecoflex.
Guoxu Zhao et une équipe de scientifiques en génie médical, en science des matériaux et en sciences de la vie en Chine ont présenté une méthode de filage microfluidique assistée par hydrogel pour relever ces défis, ce qu'ils ont accompli en encapsulant des prépolymères dans un hydrogel long, protecteur et sacrificiel. fibres.
La recherche a été publiée dans la revue Science Advances .
Ils ont conçu des appareils simples et régulé les auto-adaptations fluidiques et interfaciales des flux huile/eau pour produire avec succès des fibres avec un diamètre largement régulé, une longueur notable et une haute qualité. La méthode a permis un remodelage facile et efficace des fibres hélicoïdales pour une extensibilité et une régulation mécanique exceptionnelles.
Les fibres ont des applications potentielles en tant que composants textiles et dispositifs optoélectroniques. La méthode offre une voie puissante pour produire en masse des fibres extensibles de haute qualité.
Les fibres intrinsèquement extensibles ont des applications répandues par rapport aux fibres non extensibles, où les fibres étirables peuvent conserver leurs fonctions sous dynamique mécanique pour réaliser des utilisations spécifiques. Des polymères étirables peuvent être incorporés pour développer des biomatériaux et de la bioélectronique, avec une attention croissante accordée à leur capacité à s'adapter au corps humain.
Cependant, la fabrication et l'utilisation à grande échelle de matériaux sont limitées au sein des polymères élastiques filables, notamment le polyuréthane et le poly (styrène-co-éthylène-butylène-co-styrène). Les matériaux peuvent être traités en utilisant des méthodes de filage traditionnelles.
De tels polymères filables peuvent être préparés sous forme de masses fondues ou de solutions qui ont la forme de fluides fibreux. Les hydrogels d'alginate, ainsi formés entre des molécules d'alginate et des cations, sont largement utilisés pour leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leurs propriétés mécaniques ajustables.
Pour réaliser une technique de filage adaptée au repérage lent et aux prépolymères en phase huileuse, l'équipe a développé un système de filage microfluidique pour encapsuler les prépolymères avec des fibres d'hydrogel d'alginate, et a étudié les mécanismes et influences associés.
La méthode de filature microfluidique assistée par hydrogel (HAMS)
Un procédé de filage microfluidique assisté par hydrogel simple, efficace et évolutif peut, à température ambiante en l'absence de solvant organique, produire des fibres extensibles à base de prépolymères en phase huileuse. Les prépolymères et la solution aqueuse d'alginate de sodium peuvent être co-extrudés dans une solution aqueuse de chlorure de calcium pour créer une fibre/coquille d'hydrogel. La méthode HAMS peut réaliser des géométries de fibres pour remodeler la production de fibres hélicoïdales. Le potentiel d'application de la méthode est démontré en produisant des fibres à partir de différents prépolymères pour étudier leur polyvalence.
L'équipe de recherche a étudié l'influence de la viscosité d'écoulement sur le filage des fibres en utilisant du polydiméthylsiloxane liquide (PDMS) et du PDMS thixotrope, qui réagissaient différemment aux débits.
Les scientifiques ont exploré l’applicabilité de la méthode HAMS en utilisant Ecoflex, du silicone neutre et du PDMS composite de nanotubes de carbone. La méthode HAMS est très prometteuse pour produire des fibres extensibles à base de prépolymères en phase huileuse. Les scientifiques ont ensuite exploré comment l’auto-adaptation fluidique et interfaciale intervenait dans les mécanismes de rotation de la phase huileuse. Les fibres filées développées via la méthode HAMS sont un hydrogel protecteur et flexible pour des propriétés et des fonctions mécaniques favorables.
L'équipe a remodelé les structures hélicoïdales en soulevant les fibres à air comprimé d'une solution de chlorure de calcium et en les enroulant sur des gabarits de tiges pour former des fibres hélicoïdales avec des structures uniformes, une large gamme de tailles et une excellente stabilité. La méthode offre une approche largement réglementée pour créer des fibres hélicoïdales extrêmement extensibles. Grâce à ces principes de base, des structures hélicoïdales régulières peuvent être enroulées facilement et efficacement pour produire des fibres hélicoïdales.
Zhao et ses collègues ont évalué le rôle des mélanges rhéologiques de prépolymères avec différents rapports de volume de PDMS et ont ajusté la taille des aiguilles pour indiquer la possibilité de réaliser la méthode de filage microfluidique assistée par hydrogel. Bien que ce processus d'encapsulation d'huiles à faible viscosité avec des fibres d'hydrogel soit bien étudié, il est important d'étudier les mécanismes et les stratégies d'optimisation de la méthode de filage microfluidique assistée par hydrogel.
Ils ont également étudié les performances de détection portables des fibres optiques PDMS pour créer des signaux de flexion et de toucher des doigts adaptés à la saisie et à la transmission d'informations Morse ; comme capteurs mécaniques portables.
Zhao et ses collègues ont étudié plus en détail les performances de détection mécanique des fibres, où la résistance répondait avec précision à l'étirement cyclique avec différentes contraintes. Les résultats ont mis en évidence le potentiel d'application de la méthode pour produire des capteurs de contrainte portables droits à base de fibres et des conducteurs ultra-extensibles.
Perspectives
De cette manière, Guoxu Zhao et son équipe ont développé une méthode de filage microfluidique assistée par hydrogel pour produire des prépolymères en phase huileuse à coloration lente, à base de fibres étirables. Cette méthode de filage microfluidique assistée par hydrogel peut être réalisée sans faire fondre ni dissoudre les polymères via une consommation élevée d’énergie ou de solvant organique, en tant que stratégie économiquement et écologiquement favorable. En utilisant des prépolymères à durcissement rapide ainsi qu'une seringue à deux composants et une tête de mélange, le processus de durcissement peut être accéléré.
Plus d'informations : Guoxu Zhao et al, Filature microfluidique assistée par hydrogel de fibres extensibles via des auto-adaptations fluidiques et interfaciales, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adj5407
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
© 2023 Réseau Science X
